智能指针

2018/03/17 C 共 3392 字,约 10 分钟

简介

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制,程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete,流程太复杂,最终导致没有 delete,异常导致程序过早退出,没有执行 delete 的情况并不罕见。

用智能指针便可以有效缓解这类问题,本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括:std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost::intrusive_ptr。你可能会想,如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题,真的有必要吗?看完这篇文章后,我想你心里自然会有答案。

下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针(smart_ptr)。

具体使用

总括

对于编译器来说,智能指针实际上是一个栈对象,并非指针类型,在栈对象生命期即将结束时,智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“operator->”操作符,直接返回对象的引用,用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。

访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。由于智能指针是一个对象,所以if (my_smart_object)永远为真,要判断智能指针的裸指针是否为空,需要这样判断:if (my_smart_object.get())。

智能指针包含了 reset() 方法,如果不传递参数(或者传递 NULL),则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象,则智能指针会释放当前对象,来管理新传入的对象。

我们编写一个测试类来辅助分析:

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl; 
  }
  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }
  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }
};

std::auto_ptr

std::auto_ptr 属于 STL,当然在 namespace std 中,包含头文件 #include 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。

std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 创建对象,输出:Simple:1

if (my_memory.get()) {                            // 判断智能指针是否为空
    my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
    my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指针,然后给内部对象赋值
    my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印,表明上述赋值成功
    (*my_memory).info_extend += " other";           // 使用 operator* 返回智能指针内部对象,然后用“.”调用智能指针对象中的函数
    my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印,表明上述赋值成功
  }

“my_memory2 = my_memory”,这行代码,my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权,导致 my_memory 悬空,最后使用时导致崩溃。

所以,使用 std::auto_ptr 时,绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库,不允许用户使用,确没有明确拒绝[1],多少会觉得有点出乎预料。

std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权

总结:std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存,但是,请注意如下几点:

(1) 尽量不要使用“operator=”。如果使用了,请不要再使用先前对象。

(2) 记住 release() 函数不会释放对象,仅仅归还所有权。

(3) std::auto_ptr 最好不要当成参数传递(读者可以自行写代码确定为什么不能)。

(4) 由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题,有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。

boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样,可以方便的管理单个堆内存对象,特别的是,boost::scoped_ptr 独享所有权,避免了 std::auto_ptr恼人的几个问题。

首先,我们可以看到,boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有release() 函数,不会导致先前的内存泄露问题。其次,由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的,所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句,可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。

由于 boost::scoped_ptr 独享所有权,当我们真真需要复制智能指针时,需求便满足不了了,如此我们再引入一个智能指针,专门用于处理复制,参数传递的情况,这便是如下的boost::shared_ptr。

boost::shared_ptr

属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权,不允许赋值、拷贝,boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的,由于要共享所有权,其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样,也是独享所有权的。

boost::scoped_array my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化

boost::shared_array

boost::shared_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

由于 boost::scoped_array 独享所有权,显然在很多情况下(参数传递、对象赋值等)不满足需求,由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样,内部使用了引用计数。

总结

如上讲了这么多智能指针,有必要对这些智能指针做个总结:

1、在可以使用 boost 库的场合下,拒绝使用 std::auto_ptr,因为其不仅不符合 C++ 编程思想,而且极容易出错[2]。

2、在确定对象无需共享的情况下,使用 boost::scoped_ptr(当然动态数组使用boost::scoped_array)。

3、在对象需要共享的情况下,使用 boost::shared_ptr(当然动态数组使用boost::shared_array)。

4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象,而又不想改变其引用计数的情况下,使用boost::weak_ptr,一般常用于软件框架设计中。

5、最后一点,也是要求最苛刻一点:在你的代码中,不要出现 delete 关键字(或 C 语言的free 函数),因为可以用智能指针去管理。

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